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Jun 05, 2023

젤리와 모래의 공통점은 무엇입니까?

중력 하에서 입자와 젤에 대해 발견된 일반적인 불안정화 메커니즘 Tokyo Metropolitan University 이미지: 모래층(a)과 젤(b)이 불안정해지면 비슷한 "핑거링" 불안정성이 발생합니다.

중력 하에서 입자와 젤에 대해 발견되는 일반적인 불안정화 메커니즘

도쿄도립대학

이미지: 모래층(a)과 젤(b)이 불안정해지면 유사한 "핑거링" 불안정성이 시간이 지남에 따라 형성되는 것으로 보입니다(왼쪽에서 오른쪽으로).더보기

크레딧: 도쿄도립대학

일본 도쿄 – 도쿄 메트로폴리탄 대학의 연구원들은 입상 물질과 용융 젤의 거동 사이의 주요 유사점을 확인했습니다. 그들은 낙하하는 모래층이 젤라틴이 아래에서 가열될 때 녹는 젤라틴과 동일한 불안정화 메커니즘을 공유한다는 사실을 발견했습니다. 특히 핵심 매개변수가 유동화된 영역의 두께에 따라 어떻게 확장되는지를 발견했습니다. 그들의 발견은 눈사태, 산사태, 산업 운송 과정에서 볼 수 있듯이 중력에 따른 불안정성에 대한 우리의 이해에 중요한 진전을 제공합니다.

모래와 젤리는 별로 비슷해 보이지 않을 수도 있습니다. 그러나 물리적 특성에 초점을 맞추면 상황이 달라집니다. 모래는 수십억 개의 고체 물질 입자로 구성되어 있어 액체처럼 쏟아질 수 있고 고체처럼 파이프를 막을 수 있습니다. 젤라틴 용액과 같은 겔화 물질은 고온에서 액체처럼 부어오르지만, 냉각되면 갑자기 고체와 같은 성질을 갖습니다. 미세한 세부 사항을 살펴보면 젤의 견고성은 물질을 가로지르는 폴리머나 단백질의 네트워크에 의해 뒷받침된다는 것을 알 수 있습니다. 이는 서로 밀고 있는 곡물의 네트워크인 "힘 사슬"이 모래의 겉보기 견고함을 생성하는 방식과 유사합니다. 고체와 액체 같은 행동의 이 매혹적인 결합은 눈사태나 산사태와 같은 많은 자연 현상의 중추를 형성하지만 아직까지 잘 이해되지 않고 있습니다.

이러한 유사점은 고바야시 카즈야(Kazuya Kobayashi) 박사와 도쿄 수도 대학의 쿠리타 레이(Rei Kurita) 교수가 물리적 젤과 모래층이 유동하는 과정을 직접 비교하도록 영감을 주었습니다. 그들은 고속 카메라를 사용하여 모래와 젤라틴 용액의 얇은 층의 유동화를 관찰했습니다. 모래의 경우, 공기나 물에 미리 형성된 입자 층을 뒤집어서 바닥이 떨어지기 시작하는 것을 관찰했습니다. 젤라틴의 경우 젤라틴의 농도가 다른 두 개의 층을 준비했습니다. 농도는 낮은 층이 먼저 완전히 유동화되도록 선택되었습니다. 재료가 아래에서 가열되면 상부 층이 불안정해지고 떨어지기 시작합니다.

두 시스템 모두에서 팀은 재료의 얇은 손가락이 아래의 재료(또는 공기/물)에 떨어지면서 창문 아래로 떨어지는 빗방울과 유사한 운지법 불안정성을 발견했습니다. 시간이 지남에 따라 기존 손가락 사이에 새로운 손가락이 나타나고 액체와 고체 같은 부분 사이의 인터페이스가 물러나게 됩니다. 특수 이미징 기술을 사용하여 팀은 손가락이 실제로 시작되는 위치 위의 "유동화된" 인터페이스 영역도 식별할 수 있었습니다. 이 영역의 두께는 앞쪽이 후퇴하는 속도 및 손가락 사이의 거리와 같은 주요 매개변수와 강한 상관관계가 있는 것으로 밝혀졌습니다. 이러한 종류의 관계를 "확장" 관계라고 하며 물리학에서는 처음에는 다르게 보일 수 있지만 메커니즘을 통해 더 깊은 수준에서 관련될 수 있는 현상을 연결하는 데 중요합니다. 이 경우 이는 재료 간의 유사성, 즉 힘을 지닌 네트워크의 연결성이 거시적 물리적 거동의 기초가 되는 방식에 대한 강력한 증거입니다.

광범위한 실험을 통해 팀의 작업은 자연의 유동화 현상과 산업 규모의 입상 재료에 대한 운송 시스템 설계에 대한 의미를 포함하여 입상 재료와 젤이 중력 하에서 어떻게 불안정해지는지에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다.

이 작업은 JSPS 연구원(보조금 번호 17J03066), 젊은 과학자(보조금 번호 19K23428 및 20K14379) 및 과학 연구(B)(보조금 번호 JP17H02945 및 20H01874)를 위한 JSPS KAKENHI 보조금의 지원을 받았습니다.

과학 보고서

10.1038/s41598-022-10045-x